氯离子对灌区建筑物的侵蚀机理分析及预防措施

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[摘要]经对我国西部灌区混凝土建筑物的侵蚀破坏的原因分析，通过分析深入探究了灌区灌溉回归水中氯离子对建筑物的破坏机理，并提出了建筑物在高矿化度地下水侵蚀环境下预防氯离子侵蚀破坏的工程措施。

[关键词] 氯离子侵蚀；破坏机理；侵蚀介质；预防措施

中图分类号：TE85文献标识码： A

1概况简介

为有效解决我国西北黄土高原地区干旱缺水、人畜饮水困难，大片适宜耕种土地长期荒芜等问题，改善这些地区的生活、生态环境，阻止沙漠南移，国家先后在甘肃、宁夏、陕西等地区建成了一些大型灌区，这些灌区普遍具有降雨量少、蒸发量大、渠线长、建筑物多等特点，灌区建成后的经济、社会和生态效益都比较显著。混凝土做为一种造价低廉，可塑性好，易于施工的建筑材料，特别是钢筋混凝土结构自19世纪中叶开始采用以来，发展极为迅速，被广泛应用于灌区建筑物中。

但是，在工程建成运行中很多建筑物由于受高矿化度地下水的侵蚀破坏，使工程严重带病运行。特别是部分重要的水工建筑物如渡槽排架、泵站管道镇支墩等，从灌区开始提水灌溉后的几年内，就开始发现受到高矿化度地下水的侵蚀而发生破坏，从而严重影响着工程的安全运行。这些建筑物轻者出现表面侵蚀破坏，严重者则出现了混凝土的脱落、崩裂、结构损坏等现象，成为制约灌区工程发挥正常效益的重要因素之一。本文针对氯离子对现役建筑物的破坏分析，并根据其破坏机理，提出了预防和修复措施。

2氯离子侵蚀机理

(1)氯离子对混凝土的侵蚀

经现场勘察发现，混凝土渡槽的侵蚀破坏都发生在槽身内部和渡槽支撑排架与地下水位的干湿交替区，地处干湿交替状态的混凝土建筑物，在与水接触的表面，靠毛细管吸收作用吸收高矿化度地下水，当由湿润状态变为干燥状态时，水流会逆转，纯水从毛细孔向大气开放的端头向外蒸发，使混凝土表层孔隙液中的盐分浓度增加，这样，在混凝土表层和内部形成氯离子浓度差，驱使混凝土孔隙液中的盐分靠扩散机理向混凝土内部扩散，如此反复，致使混凝土的最高含盐量可达到0.3％－0.4％[1]。

当高浓度的氯盐向混凝土内部扩散并积累的过程中，还会与混凝土中未完全水化的部分亚稳定物质（C3A ）发生化学反应，生成体积膨胀的复盐，造成混凝土内部应力变化，破坏原有结构，造成结构物破坏。受当地灌溉回归水侵蚀的混凝土抗压强度和抗折强度均低于未受侵蚀混凝土的抗压强度和抗折强度，特别是在西北寒冷地区，随着冻融次数的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度明显下降[2]。

进入混凝土中的氯离子通常可以分为两部分，即固化氯离子和游离氯离子。固化作用有物理吸附和化学结合两种方式。物理吸附的结合力相对较弱，易遭破坏而使被吸附的氯离子转化为游离氯离子。化学结合是通过化学键结合在一起的，相对稳定，不易破坏。水泥石对氯离子的化学结合作用主要使水泥石中的 C3A（铝酸三钙）与氯离子结合生成 Friedel 盐(3CaO・Al2O3・CaCl2・10H2O)，即：

3CaO・Al2O3・6H2O+Ca2++2Cl-+4H2O3CaO・Al2O3・CaCl2・10H2O，

这种化学结合过程可以造成水泥石的固相体积膨胀，这种膨胀会在水泥石中产生局部应力。随着时间的延长，膨胀作用加重，使水泥石原有的均匀结构发生变化，产生不均衡应力而变形、胀裂，造成结构物的破坏。

(2)氯离子对钢筋的侵蚀

氯离子是一种极强的去钝化剂，在水泥的浸出液中，即使其pH值还很高(如为13)，只要有4～6mg／L浓度的氯离子，氯离子便可渗入到钢筋的钝化膜与铁离子发生化学反应，生成氯和铁的化合物，引起混凝土内钢筋锈蚀，并逐渐导致混凝土结构的破坏， 氯离子侵入引起的化学方程式如下[3]：

从上面化学反应方程式中可以看出：氯离子没有与别的物质结合生成新的物质，充其量只起到了类似于催化作用或“搬运工"的作用。Foley等人认为[4]：2和挣夺腐蚀产生的形成易溶于水的，它从钢筋阳极区向含氧量较高的混凝土孔隙液迁移，分解成，沉积于阳极区周围同时放出和，而和又回到钢筋阳极区，没有形成新的化合物，只是起到了“搬运工”的作用，不断带出，加速了钢筋的腐蚀。如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐蚀可能是均匀腐蚀。但是，在不均匀的混凝土中，常见的是局部腐蚀。首先是在很小的钢筋表面上，混凝土孔隙具有较高的氯化物浓度，形成钝化膜的局部破坏，成为小阳极。此时，钢筋表面的大部分仍具有钝化膜，成为大阴极。这种特定的由大阴极、小阳极组成的腐蚀电偶，由于大阴极供氧充足，使小阳极上铁迅速溶解而产生深坑，小阳极区局部酸化；同时由于大阴极区的阴极反应，生成使PH值增高，氯化物提高了混凝土吸湿性，使阴极与阳极间的混凝土孔隙液的欧姆电阻降低。这三方面的自发性变化，将使上述局部腐蚀电偶得以自发的以局部深入形式继续进行。这种局部腐蚀被称为点蚀或坑腐蚀。点蚀对于断面小、应力高又比较脆的预应力筋危害较大，特别是预应力高强钢丝，对应力腐蚀敏感，危害就特别大。

3影响氯离子侵蚀的主要因素

影响氯离子在混凝土中发生侵蚀反应的主要因素为氯离子的扩散系数、混凝土表面氯离子的浓度以及混凝土中CL-的临界值等[5]。

氯离子的扩散系数（DCL）反映的是混凝土本身内在的耐久性能，一般通过扩散深度和实测的浓度关系，根据Fick定律拟合得出[6]。氯离子的扩散系数不仅与混凝土的材料组成、内部孔结构的数量和特征，水化程度等内在因素有关，同时也受到外在因素如温度、养护龄期、掺和料的种类和数量等影响。其中，水灰比的大小能够直接反映混凝土抵抗氯离子入侵的能力，有实验表明，混凝土中氯离子的扩散系数与水灰比成良好的线性对应关系，通过实验数据拟合的氯离子的扩散系数与水灰比的统计关系为[7]：

可见，水灰比越小，氯离子的扩散系数越小。

而灌区灌溉回归水中氯离子的浓度与灌区的土质和建筑物附近地下水的排泄条件有关；建筑物附近回归水的排泄条件越差，氯离子就越容易聚集，浓度就越高，特别是在我国西部高蒸发、低降雨的气候条件下，当出露的地下水水分被蒸发，而溶滤其的氯离子浓度则不断积累增高。氯离子的浓度虽然不会对氯离子的扩散系数产生影响，但却对混凝土内部的Cl-的扩散起重要的影响。所以，要有效防止灌区混凝土建筑物受氯离子的侵蚀破坏，就必须同时从降低建筑物表面氯离子的浓度和提高混凝土自身的抗侵蚀能力，降低混凝土中氯离子的扩散系数入手。

4工程预防措施

针对以上的侵蚀机理分析，为有效预防灌溉水中氯离子对灌区渡槽的侵蚀破坏，建议采取以下综合防治工程措施：

（1）在施工时严格按照规范规定，施工用水中氯离子的含量控制在200~350mg/L；施工用砂的氯离子含量低于0.065%；在建筑物施工时杜绝使用含氯盐的外加剂，防止氯离子的“混入”。（2）人为地优化建筑物混凝土构件周围的环境条件（例如，建排水盲沟，集水井），以减少致使混凝土被侵蚀的各种不利因素。（3）通过严格控制水灰比、添加外加剂等方法改善混凝土自身抗侵蚀性，降低氯离子在混凝土内的扩散系数；（5）在混凝土外露表面涂刷聚氨脂漆，在埋在地下的混凝土表面涂刷环氧煤沥青等阻隔材料以阻断氯离子与混凝土建筑物的接触面。

5结语

灌溉回归水中氯离子是造成灌区混凝土渡槽侵蚀破坏的主要介质之一。其侵蚀机理是，氯离子通过混入或渗入混凝土建筑物中造成大量氯盐积累引起建筑物中的钢筋锈蚀或与水泥石中的部分亚稳定物质反应引起混凝土膨胀从而造成建筑物的破坏。实践证明：改善混凝土抗渗性能，提高混凝土自身抗侵蚀性；通过建造阻渗设施降低高矿化度地下水在建筑物附近积累，减少侵蚀介质；在混凝土表面涂刷隔离涂料阻隔侵蚀介质是预防高扬程提水灌区水工混凝土建筑物受灌溉回归水中氯离子侵蚀破坏的有效措施。

参考文献：

[1]金伟良，混凝土结构耐久性[M], 北京：科学出版社，2002.9.

[2]徐存东、周琳博, 高扬程灌区水工混凝土建筑物盐冻破坏机理的研究[J],甘肃科学学报，2011.23(2).

[3]吴瑾，钢筋混凝土结构锈蚀损伤[M],北京：科学出版社，2005.

[4]张伟平，混凝土结构的钢筋锈蚀损伤预测及其耐久性评估,同济大学博士学位论文，1999.

[5]王仁超，混凝土氯离子综合机制扩散模型及敏感性研究[J]，哈尔滨工业大学学报，2004，6，36（6）.

[6]李金玉、曹建国，水工混凝土耐久性的研究和应用[M]，中国电力出版社，2004.99～110.

[7]孙伟、余红发，混凝土结构的耐久性与寿命研究进展[J],土建结构工程的安全性与耐久性，北京，2001.